《斷裂力學中應力強度因子的解法(下冊)》是作者在從事斷裂力學應力強度因子解法研究工作的成果基礎上寫成的。全書共21章,內容可分為三類。第一類是二維與三維的應力強度因子解析一一變分解法。第二類是三維應力強度因子能量差率閉合解法。第三類則是二維與三維應力強度因子的廣義剛度導數解法以及廣義守恒積分解法。前兩類內容是作者首創的,后一類內容是作者對已有方法的進一步發展。《斷裂力學中應力強度因子的解法(下冊)》所提供的方法均具有計算效率高以及適用范圍廣的特點。第一類內容見于本書上冊;第二、三類內容載于下冊。
《斷裂力學中應力強度因子的解法(下冊)》讀者對象為固體力學、飛行器、車輛、地面設施、船舶與離岸結構設計等方面的研究生、教師、工程師與研究人員。
斷裂力學是研究含裂紋構件強度與壽命的一門固體力學新分支,是結構損傷容限設計的理論基礎。斷裂力學可分為線彈性斷裂力學與彈塑性斷裂力學兩大類別,前者適用于裂紋尖端附近小范圍屈服的情況;后者適用于裂紋尖端附近大范圍屈服的情況。就目前情況而言,彈塑性斷裂力學發展很快,但是線彈性斷裂力學在結構損傷容限設計中仍居重要地位。
在線彈性斷裂力學中,最重要的力學參量是應力強度因子,它是裂紋擴展的驅動力,控制著裂紋尖端附近的應力場與位移場。因此,應力強度因子可以用于預估含裂紋結構在單調載荷作用下的剩余強度以及在重復載荷作用下的剩余壽命,作為結構與機械損傷容限設計基礎。
目前,確定應力強度因子的方法大體可以分為解析法與數值法兩大類。解析法的優點是所需的計算工作少;數值法的優點是所能解決的問題多。而前者的缺點是所能解決的問題少;后者的缺點是所需的計算工作多。
本書目的在于介紹作者及其合作者在應力強度因子解法方面所取得的研究成果。此成果獲國家級科技進步三等獎,曾成功地用于“殲十”前翼耐久性設計,使該部件重量減輕10kg。其部分系統結果為本書上下冊大量采用。
本書第1章至第8章介紹確定含裂紋二維與三維有限大體應力強度因子的解析變分方法。這是一種半解析半數值方法,兼有解析法與數值法的優點而克服了它們各自的缺點,即所需計算工作少而所能解決的問題多。當然,邊界配置法與邊界元素法也屬于半解析半數值方法,但前者不能解決三維問題,而后者所需機時約比本方法所需機時大一個數量級。
本書第9章至第16章介紹確定含裂紋三維有限大體應力強度因子的能量差率封閉解法。這個方法的優點表現在它可以充分利用已有的二維應力強度因子結果確定三維應力強度因子。特別是這個方法是一種封閉解法,具有解析方法的優點,非常節省機時。由本方法所得結果與由有限元法所得結果的差別在工程允許范圍之內,但本方法的計算工作量約為有限元法的千分之一到萬分之一的數量級。
本書第17章至第21章介紹應力強度因子的廣義剛度導數解法與廣義守恒積分解法,它們發展了已有的剛度導數解法與守恒積分解法,拓寬了這兩種解法的應用范圍。
本書上、下兩冊分別介紹第1至8章與第9至21章內容。
書中如有不當之處,敬請讀者批評與指正。
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張行,教授,國務院學位委員會批準的博士生導師,政府特殊津貼獲得者,原航空工業部“有突出貢獻專家”。1932年出生,1952年畢業于清華大學航空學院飛機結構專業。此后一直在北京航空航天大學從事固體力學教學以及科研工作(1957~1958年,曾經在清華大學工程力學研究班進修兩年)。研究領域包括:斷裂力學、復合材料力學、損傷力學、彈性力學、塑性力學、飛機結構力學與徐變力學等。在國內外學術期刊發表學術論文160多篇。出版學術專著以及研究生教材7部。解決重要工程技術問題9項。獲國家科技進步三等獎兩項(排名首位、第二各一項)。獲部委級科技進步一、二等獎六項(其中一等獎與4個二等獎排名首位),學術與技術成果被納入《20世紀中國知名科學家學術成就概覽》。
第9章 三維有限大體張開型裂紋的應力強度因子能量差率法封閉解
——單自由度情況
9.1 裂紋張開位移的基本微分方程——裂紋的虛比例擴展
9.2 裂紋張開位移與Ⅰ型應力強度因子的封閉解法
9.3 三維裂紋張開位移模態的表示方法
9.4 三維張開型裂紋問題的典型情況
附錄9A 二維裂紋張開位移的總位能差率解法
參考文獻
第10章 三維有限大體剪切型裂紋的應力強度因子能量差率法封閉解
——單自由度情況
10.1 裂紋剪切位移與Ⅱ、Ⅲ型應力強度因子
10.2 裂紋剪切位移微分方程及其封閉解法
10.3 三維裂紋剪切位移模態的表示方法
10.4 三維剪切型裂紋問題典型情況
參考文獻
第11章 圓管三維裂紋應力強度因子的能量差率法封閉解
11.1 張開型裂紋問題
11.2 剪切型裂紋問題
參考文獻
第12章 三維有限大體張開型非對稱裂紋應力強度因子能量差率法封閉解
——多自由度情況
12.1 單軸向偏心裂紋——二自由度情況
12.2 雙軸向偏心裂紋——三自由度情況
12.3 偏軸裂紋
12.4 能量差率法封閉解的高級理論
附錄12A 二維裂紋張開位移的模態與幅值
參考文獻
第13章 三維有限大體剪切型非對稱裂紋應力強度因子能量差率法封閉解
——多自由度情況
13.1 單軸向偏心裂紋——二自由度情況
13.2 雙軸向偏心裂紋——三自由度情況
參考文獻
第14章 三維有限大體復合型裂紋應力強度因子的能量差率法封閉解
14.1 裂紋表面受法向力時的基本微分方程
14.2 裂紋表面受切向力時的基本微分方程
14.3 裂紋表面受復合力時的基本微分方程
14.4 基本微分方程組的簡化及其封閉解法
附錄14A 二維斜裂紋的裂紋面位移模態與幅值
參考文獻
第15章 界面裂紋(層板層間分層)二維與三維應力強度因子的能量差率封閉解法
15.1 層合直梁二維分層問題的解析解法與分層力學分析
15.2 層合板三維分層問題的能量解法與分層力學分析
參考文獻
第16章 蜂窩夾芯板脫膠問題應力強度因子的能量差率解法
16.1 二維斷裂力學含穿透裂紋夾芯梁能量差率與應力強度因子的關系
16.2 三維斷裂力學含橢圓形脫膠區夾芯板能量差率分布
16.3 分析含橢圓脫膠區蜂窩夾芯板的片條合成能量法
16.4 算法,算例及結果分析
參考文獻
第17章 應力強度因子的廣義剛度導數解法
17.1 變厚度板單純型裂紋應力強度因子的廣義剛度導數法
17.2 等厚度板復合型裂紋應力強度因子的廣義剛度導數解法
參考文獻
第18章 應力強度因子的廣義守恒積分解法
18.1 二維單純型廣義守恒積分及其在求解應力強度因子中的應用
18.2 二維復合型廣義守恒積分及其在求解應力強度因子中的應用
18.3 三維廣義守恒積分及其在求解應力強度因子中的應用
參考文獻
第19章 應力強度因子的加權守恒積分解法
19.1 守恒積分的建立——權函數法
19.2 含V型缺口板缺口頂端附近應力場分析
19.3 權函數的確定與守恒積分收斂性的證明
19.4 含V型缺口板缺口頂端應力強度因子的加權守恒積分——有限元解法
參考文獻
第20章 平面復合型界面裂紋問題的解析變分——廣義加權雙場守恒積分解法
20.1 位移場和應力場的本征展開
20.2 廣義加權雙場守恒積分的表達式
20.3 權函數的確定
20.4 變分解法
20.5 計算例題
參考文獻
第21章 測定應力強度因子的守恒積分——光彈性法
21.1 基本原理
21.2 實驗、計算與驗證
參考文獻
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